CN105556612A - 一种核反应堆钢表面的原位钝化方法 - Google Patents

一种核反应堆钢表面的原位钝化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核技术领域，尤其，涉及一种钢表面的原位钝化方法。所述方法包括在设置正式堆芯的位置上安装有堆芯模拟装置，所述模拟装置为模拟堆芯形状、堆芯元件的相对位置、以及其质量特征的堆芯模型，接着向反应堆内填充液态重金属冷却剂，将冷却剂加热到规定的钝化条件温度，分两个阶段进行原位钝化，其中第一个阶段中包含按照这个阶段所规定的条件进行的等温钝化模式，而第二个阶段包括在不同条件下进行的非等温钝化，之后移除堆芯模拟装置并在这个位置上安装正式的堆芯。该方法保证了钢制元件表面在液态重金属冷却剂介质中的耐腐蚀性并能降低核反应堆运行初期的氧气消耗的最大速率。

Description

一种核反应堆钢表面的原位钝化方法
发明所涉及的技术领域
本发明涉及核技术领域，尤其，涉及一种液态重金属冷却核反应堆钢表面的原位钝化方法。
背景技术
已知有各种各样的钢管表面钝化方法。
例如，已知一种锅炉管及发电机组内表面的钝化方法，其包括，用气态氧化剂(氧气)进行钝化处理，所述气态氧化剂在控制铁的氧化物从通道排出的涡轮机关闭的状态下在锅炉点燃过程中被加入到工作介质中。因此，从锅炉点火一开始就通过降低介质的温度和压力将工作介质不间断地转换成蒸汽与水混合的状态。在该清洗阶段停止排出铁的氧化物后将锅炉炉膛内的释热量逐渐增加过渡到一个新的释热程度。送入氧化剂，锅炉过热部分中的压力一开始的水平为1.0-1.2MPa，在锅炉过热部分中的压力达到2.0-3.0MPa并且在这个阶段停止排出铁的氧化物之后将锅炉工作介质的压力和温度提高到使锅炉过热部分中的工作介质不再为蒸汽与水混合的状态的参数，保持这个状态直至钝化完成(俄罗斯专利RU2232937,F22B37/48,2004年7月20日)。
已知一种通过用含氧剂处理钢管来钝化钢管的方法，根据本发明使用添加有浓度不超过1.2g/l的氧气或氮气的空气作为所述含氧剂，并在含氧剂流速为50-200m/s和300-500℃的条件下进行0.5-50.0分钟的处理(俄罗斯专利RU2190699,C23G5/00,2002年10月10日)。该方法用于对提出有效防腐蚀要求的不同直径和长度的钢管进行防腐蚀，尤其是难以到达的内表面的防腐蚀。该方法适用于生产工业钢管的企业。
还已知一种用净化剂进行氧气清洗和钝化锅炉管内表面的方法，所述净化剂为一种氧气与给水，或者蒸汽，或者水-蒸汽混合物的混合物，氧气在净化剂中的浓度维持在10-15g/kg的范围内，在净化剂的温度为90-450℃的条件下清洗4.5-5.5小时(俄罗斯专利RU2303745,F22B37/48,2007年7月27日)。如发明说明书中所述，该方法能有效地清洗和钝化管道的内表面，同时能降低能耗和缩短动力设备的停机时间。
同时，该方法的目的为通过氧气与给水，或者蒸汽，或者水-蒸汽混合物的混合物流经管道来钝化管道的内表面。这种方法不适合核装置的钢制元件的钝化，因为包括温度条件在内的工作条件，以及在这些设备的结构中使用的材料是根本不同的。除此之外，对核反应堆可靠性的要求要比对锅炉设备的要求高得多。
尤其是对于液态重金属冷却核反应堆来说，通常使用下面的可保证第一回路中结构钢的耐腐蚀性的技术：
-对燃料元件(以下简称ТВЭЛ)的表面进行化学或电化学处理；
-将处于氧化环境中，例如堆芯元件的合金中，蒸汽发生器的二氧化碳气体中，控制和保护系统(СУЗ)护罩的水蒸气中的各元件和部件进行回路外(工厂)钝化(预氧化)处理；
-根据预先在燃料元件表面形成的氧化层的厚度和质量的监测结果淘汰不合格的带有钢制包壳的燃料元件。
这些操作通常在生产核反应堆第一回路元件的工厂中进行。
如上述类似专利RU2190699中所描述，对第一回路大部分表面进行事先处理和钝化能显著降低钢对溶解氧的累积需要量并相应地简化传质设备或其他维持冷却剂氧势的设备的工作，特别是在核反应堆运行的初始阶段。
但在实施回路外(工厂)钝化的过程中显示出了显著的技术缺陷，所述缺陷主要是在露天的装有铅铋低熔合金的槽内对具有ЭИ型钢制成的包壳的燃料元件事先进行回路外氧化处理的模式方面。在气体介质(CO2，水蒸汽)中对产品进行回路外的钝化(氧化)使工厂的工艺复杂化。然后，需要注意的是，从装置运行的结果来看，在工厂钝化阶段对制品进行的处理操作是有效的。在两个阶段的处理(经过对钢材的初步处理及经过工厂钝化后)过程中，废品率为10％以上。在结合焊缝退火状态的高温条件下，在二氧化碳气体中使用专门的处理模式来进行珠光体钢制成蒸汽发生器的回路外钝化。
应该指出的是，工厂钝化的温度和氧气条件不是最佳选择，因为在处理时在钢的表面会形成包含铁酸铝相成分，不具有防护特性的氧化膜。
实践表明，由于上述原因对液态重金属冷却快速核反应堆第一回路的钢表面的事先处理不能保证其具有足够的钝化水平，在足够的钝化水平下第一回路表面与液态金属冷却剂(例如，铅、铅-铋共熔合金)发生反应时在这些表面上将几乎不会有氧化过程。
因为上述原因，对于快速核反应堆来说，除了一般在进行工厂(回路外)钝化处理之外，还应在核反应堆运行初期进行钢表面的原位钝化。
选择一种有关动力快堆结构的原位钝化技术方案作为与本发明最为接近的类似方法，其中所述动力快堆装配有防止与液态金属(铅)冷却剂接触的燃料元件和第一回路结构元件腐蚀的设备(俄罗斯专利RU2456686,G21C1/03,2012年7月20日)。
如RU2456686中所述，当使用铅冷却剂时会产生与反应堆第一回路结构元件腐蚀相关的问题。根据RU2456686的发明的目的是通过形成稳定的碳化膜遏制第一加热回路结构元件的腐蚀，首先是安装在核反应堆堆芯内的结构元件。除此之外，该发明能防止燃料元件防腐壳和在第一回路结构元件上形成的保护层出现机械损伤。在复杂运行条件下，即与反应堆第一回路高温部分中的铅冷却剂接触的热点区域中的燃料元件的壳体最容易被腐蚀，上述问题的解决都与此相关。因冷却剂在具有不同温度的第一回路区域之间循环而出现并发展的所谓的动态腐蚀具有非常重要的意义。为了保证液态金属(铅)冷却快速反应堆的燃料元件包壳和第一回路元件的防腐蚀性，将作为钝化添加剂的碳加入到冷却剂中。当用钒或铌(或其合金)制作燃料元件壳体的保护壳时，液态金属冷却剂(铅碳合金)能与燃料元件壳体的保护壳的材料发生反应，从而导致保护壳表面层渗碳。其结果是在保护壳的表面上形成钝化的碳化涂层。
由于要求使用包括密封外壳，以及由钒或铌或基于钒和/或铌的合金制成的保护壳的燃料元件，而且使用铅作为冷却剂，所以该方法的应用有限。所述最为接近的类似方法的目的是创建一种主要在燃料元件保护壳的表面上的碳化膜，此时核反应堆第一回路的其他元件(泵组、蒸汽发生器表面等)的钝化强度显然要小一些(在说明书中没有指出这些元件的材料是否包含钒、铌或基于钒和/或铌的合金)。
发明内容
本发明的任务为：通过在核反应堆运行初期创造能保证钝化要求水平的氧化过程的条件，对液态重金属冷却核反应堆第一回路元件的钢表面进行坚固地原位钝化。
考虑到已知设备对向冷却剂中输入氧气的可允许强度有物理限制，不排除出现因氧化反应的氧气消耗速度超过向液态重金属冷却剂的输入氧气的速度，从而导致无法维持所述冷却剂所需的氧气条件的情况。核反应堆运行的初始阶段在这方面最有问题。由于目前还无法正确预估出浸没在液态重金属冷却剂中的钢制品上的氧化膜的初始形成阶段，使得情况较为复杂。因此，在预估钢氧化的初始速度方面的误差较大，而且很难与液态重金属冷却剂技术设备的特性相比较。
解决这些问题能使得在核反应堆继续工作时只能通过使用在核反应堆中使用的质量传递制式设备来保持钢元件表面上钝化膜的完整性。
使用堆芯模拟装置的原位钝化技术能获得下列技术成果：
-确保了在液态重金属冷却剂介质中不进行任何事先的特殊操作的钢制样品的抗腐蚀性；
-降低了核反应堆运行初始阶段的氧气消耗的最大速度，所述氧气的消耗也随着第一回路表面氧化而降低；
-降低了维持核反应堆运行初期所必要的氧气条件将氧气输入到冷却剂中的技术设备的溶解氧产量。
考虑到燃料元件可事先钝化，所以能进一步显著降低氧化作用中的氧气消耗量。
下列核反应堆钢表面原位钝化方法的几项本质特征影响了上述技术成果。
核反应堆钢表面原位钝化方法，包括：通过向第一回路的冷却剂中加入能与第一回路元件材料发生反应并形成保护膜的物质在核反应堆第一回路元件的表面上创建保护膜，同时在组装核反应堆时向其填充第一回路的冷却剂之前，在用于放置堆芯的位置上安装堆芯模拟装置，之后向反应堆内填充冷却剂，将冷却剂加热到规定的钝化条件下的温度，之后将堆芯模拟装置移除并在该位置上安装正式的堆芯。
此时，使用液态金属冷却剂作为所述第一回路冷却剂。
此时，分两个阶段进行原位钝化，在等温钝化模式下进行第一阶段，在该模式下向液态金属冷却剂中注入氧气，在非等温钝化模式下进行第二阶段。
此时，在温度T＝300-330℃的条件下进行等温钝化模式。
此时，向液态金属冷却剂中注入热力学活度a＝10-1÷10-3的氧气。
此时，将氧气的热力学活度a＝10-1÷10-3和温度T＝300-3300C维持t＝220(±20)小时。
此时，在泵或泵组启动的情况下进行非等温钝化模式。
此时，泵或泵组的功率水平为额定功率的30％以上。
此时将氧气的浓度维持在Co2＝(1-4)*10-6％wt.的水平上。
此时将氧气的热力学活度a提高到a＝10-2÷10-4。
此时将泵或泵组高于额定功率30％以上的功率水平，Co2＝(1-4)*10-6％wt.的氧气浓度和a＝10-2÷10-4的氧气热力学活度维持t＝550(±50)小时。
此时，所述堆芯模拟装置为模拟堆芯形状、堆芯元件的相对位置、以及其质量-尺寸特征的堆芯模型。
如原型(RU2456686)中所述一样，为了原位钝化快速核反应堆第一回路的钢表面，通过向核反应堆第一回路的重质液态冷却剂中加入能与第一回路元件材料发生反应并形成保护膜的物质在核反应堆第一回路元件的表面上创建保护膜。
所申请方法与原型不同的是，在组装核反应堆时向反应堆添加第一回路液态冷却剂之前，在原本设置堆芯的位置上安装堆芯模拟装置(以下简称ИАЗ)，所述模拟装置为模拟堆芯形状、堆芯元件(其中包括燃料组件)的相对位置、以及其质量特征的堆芯模型。
接着向反应堆内填充液态重金属冷却剂，将冷却剂加热到规定的钝化条件温度。
分两个阶段进行原位钝化，其中第一个阶段包括在泵组关闭，温度为300-330℃，较高的氧气热力学活度a＝10-1÷10-3的情况下的等温钝化模式，在该模式下将所述温度和氧气热力学活度维持220±20小时，第二阶段在泵组启动，泵组功率水平为定额的30％或高于该值，并持续550±50小时的情况下进行非等温钝化，其中将氧气浓度保持在Co2＝(1-4)*10-6％wt.的水平上并保持较高的氧气热力学活度a＝10-2÷10-4，之后将堆芯模拟装置移除并在其位置上安装正式的堆芯，其中冷却剂的温度T＝300-330°С增加到钝化所必需的温度(T＝410-420℃)水平。
接下来在正常运行模式下在液态金属冷却剂中还要保持现有的氧气浓度。
在热力试运转模式中使用全尺寸的堆芯模拟装置，这能够通过在液态重金属冷却剂介质中氧化钢材来提高装有液态重金属冷却剂的第一回路结构钢的防腐性能，并能将“正式”运行中所需的氧气浓度降低到至少(Co2＝(1-10)*10-6％wt.)。
事先(回路外，例如工厂)钝化像堆芯和蒸汽发生器这样的元件能将耗氧速率降低到约正常运行时的50％，由于蒸汽发生器与液态金属冷却剂接触的面积大，所以在钝化蒸汽发生器时能达到最大效果(约30％)。本发明方法的显著优点为，在特定条件下能形成细实耐用的保护(防腐蚀)氧化膜。研究显示，在核反应堆的初始阶段形成厚度约1-2微米的膜就足可以有效降低正常(工作)模式下钢与冷却剂发生氧化反应的强度。
在对非钝化的第一回路钢材样品进行的试验台腐蚀试验过程中，对在液态重金属冷却剂流中形成的氧化层的损伤使用申请方法时，在选定的氧气浓度下，在试验继续的情况下没有发生任何的腐蚀损伤，相反地，损伤被“治疗”而且氧化层形成了所需的厚度、强度和密实度。
为证明所申请的原位钝化方法进行了大规模的综合试验研究。其中，就在高温(t＝620-650℃)条件下最主要的第一回路元件——燃料元件(ЭП-823型钢)而言，在具有良好统计数据(数十家公司)的1000-5000小时的基础上显示，在熔体中进行预氧化处理能为所有的钢表面提供可靠的防腐保护。由于在没有任何保护的，其中包括在试验过程中没有进行预氧化处理的试样样品上有时会分散地发现有点状腐蚀特征的腐蚀结节，所以上面这种情况是很重要的。
具体实施方式
基于实验数据，在410-420℃温度下及高氧气浓度(Co2-1*10-5％wt)条件下的原位钝化为最合适的模式，这可以将持续2-4周的钝化模式与其他安装调试工作结合起来，而且不会导致反应堆装置的启动运行出现不必要的延迟。
利用液态重金属冷却快速反应堆堆芯模拟装置分阶段实施钢表面的原位钝化工艺并规定必须完成下列工艺操作：
-将堆芯模拟装置安装到反应堆装置堆芯本身的位置；
-向反应堆内填充液态重金属冷却剂；
-将冷却剂加热至钝化条件的温度；
-进行原位钝化，其包括在高氧气热力学活度(在等温钝化模式中a＝10-1÷10-3，在非等温钝化模式中a＝10-2÷10-4)条件下的等温钝化模式(T＝300-330℃,t-220小时)和非等温钝化模式(泵组的功率水平大于或等于额定功率的30％，持续t-550小时)。
-移除堆芯模式装置。
接着在换下堆芯模拟装置安装正式堆芯后，在快速核反应堆正常运行时不间断地维持必要的氧气浓度，这使得能在正式的冷却剂温度参数下连续钝化钢制零件，但强度比用堆芯模拟装置实施所申请方法时小。

Claims (12)

1.一种核反应堆钢表面的原位钝化方法，包括，通过向第一回路的冷却剂中加入能与第一回路元件材料发生反应并形成保护膜的物质在核反应堆第一回路元件的表面上创建保护膜，同时在组装核反应堆时向其填充第一回路的冷却剂之前，在用于放置堆芯的位置上安装堆芯模拟装置，之后向反应堆内填充冷却剂，将冷却剂加热到钝化条件的温度，之后将堆芯模拟装置移除并在该位置上安装正式的堆芯。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用液态金属冷却剂作为所述第一回路冷却剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，分两个阶段进行原位钝化，在等温钝化模式下进行第一阶段，并在该模式下向液态金属冷却剂中注入氧气，在非等温钝化模式下进行第二阶段。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在温度T＝300-330℃的条件下进行所述等温钝化模式。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，向所述液态金属冷却剂中注入热力学活度a＝10-1÷10-3的氧气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将氧气的热力学活度a＝10-1÷10-3和温度T＝300-330℃维持t＝220(±20)小时。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在泵或泵组启动的情况下进行所述非等温钝化模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述泵或泵组的功率水平为额定功率的30％以上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述氧气的浓度维持在Co2＝(1-4)*10-6％wt.的水平上。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述氧气的热力学活度a提高到а＝10-2÷10-4。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将泵或泵组高于额定功率30％以上的功率水平，Co2＝(1-4)*10-6％wt.的氧气浓度和а＝10-2÷10-4的氧气热力学活度维持t＝550(±50)小时。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堆芯模拟装置为模拟堆芯形状、堆芯元件的相对位置、以及其质量-尺寸特征的堆芯模型。
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